由于激光具有亮度大的特点,就使得激光技术问世后不久就有人想把激光技术用于石油工业的钻井。20世纪70年代初,美国、法国、荷兰就出现了用激光钻井和射孔的专利文献。但由于当时激光器的功率大约只有数千瓦,激光的波长较长难于聚焦,更主要可能还是成本较高,激光钻井未曾实现.鉴于此,许多人怀疑激光钻井的可能性.但自那以后,对激光器、激光器功率、效率、发射能力等作了大量研究取得了显著的进步。
现代的高功率激光器,可把电能光学能或热能转换成光能,光能经聚焦后形成很强激光束可粉碎、熔化、蒸发岩石.激光的波长可为0.1~103pm,氟化氢(HF)和氟化氛(DF)激光器、化学氧化碘激光器(coIL)、cq激光器、co激光器、自由电子激光器(FEL),钱/忆铝石榴石(Nd/ YDG)激光器和氟化氢(KrF)激光器,其工作波长、脉冲长度、功率等参数都可作为钻井用激光器.这些激光器通过反射、散射、黑体辐射、等离子屏蔽等形式把能量传递到岩石上。
1998年和1999年,许多文献披露了美国重新提出激光钻井的问题,美国GRI(GasRe-search Institute)提出了一项两年计划,准备投资60万美元,联合美国空军、美国陆军和科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司和菲利蒲石油公司一起探索把美国在20世纪80年代和90年代用于星球大战的激光技术用于石油工业的气井钻井、完井的可行性、成本、益处以及对环境的影响,提高美国工业的竞争能力。
美国这次研究计划投入的力量很大.投入的设备包括美军白沙导弹实验场的高能激光系统试验设备(简称HELsTF)及美国空军的研究实验室,试验中拟使用的激光器是能量为10“w的中红外高级化学激光器(简称MIRAcL)和化学氧化碘激光器(简称coIL).这些激光器原为用于舰载防御和空对空防御的激光器,以其能够击穿数英里外飞行的战术和战略目标,跟踪和摧毁导弹的能力说明能够用于钻4572m深的气井.coIL激光器能够与光纤祸合的特点以及输出功率高、化学物质价格低,使它能够用于气井钻这类能量传输距离长的工程项目。
美国还另外投入两台高功率激光器用于研究激光束与周围材料的相互作用一是放电共轴激光器,用来研究在各种环境下激光束对不同材料的影响。15年来的研究成果组成的内容广泛的数据库可使人们更透彻了解材料与激光之间的相互作用。另一台是激光器示范设备,主要用于确定强激光束与不同软岩石矿物之间的相互作用,试验费用相当低廉,表明可大量探索岩石与激光的相互作用,以及在井下条件激光与岩石的相互作用。
前述美国菲利蒲石油公司用美军Ml RAcL激光器所作的评价激光器钻进实验表明,激光束等效钻速可达50.60m/h,而经凹面镜改变MIRAcL激光器光的方向沿水平方向钻进,等效钻速达137.16m/h;用激光射孔,射孔深度可达6lm。
我国早在20世纪60年代就开始了激光技术的研究,并曾花费数千万元研制大功率激光器,尽管当时未获得成功,但积累了丰富的经验。1998年,中国科学院超短脉冲高功率激光技术研究取得了巨大进展,获得了中国科学院院级发明一等奖,这为激光技术在石油钻井中的应用打下了基础 。
激光钻井优点